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【発明の名称】 Ｘ線分析装置および方法
【発明者】 【氏名】宇高 忠
【要約】 【課題】単一のＸ線管で軽元素から重元素までの蛍光Ｘ線分析を行い得ると共に、格子面間の小さい物質から大きい物質までのＸ線回折分析を行い得るＸ線分析方法を提供する。

【解決手段】Ｘ線管１０からのＸ線を試料２０に向って出射し、該試料２０からの蛍光Ｘ線に基づいて試料２０の元素分析を行う蛍光Ｘ線分析と、試料２０でブラッグ反射された回折Ｘ線に基づいて試料２０の構造分析を行うＸ線回折分析とを１台の装置で行うようにしたＸ線分析方法に関する。Ｘ線管１０の管電圧を高く設定して、波長の短い第１の固有Ｘ線ならびに該第１の固有Ｘ線よりも波長の長い第２の固有Ｘ線ならびに連続Ｘ線を生成させると共に、第１の固有Ｘ線を分光して、第１の固有Ｘ線を試料２０に照射して分析を行い、一方、Ｘ線管１０の管電圧を低く設定して、第１の固有Ｘ線を生成させることなく、第２の固有Ｘ線を試料２０に照射して分析を行う。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 Ｘ線回折分析および蛍光Ｘ線分析の双方を可能としたＸ線分析装置であって、多色Ｘ線を出射する単一のＸ線管と、前記Ｘ線管からの多色Ｘ線のうち波長の短い第１の固有Ｘ線を試料に照射すると共に、前記第１の固有Ｘ線よりも波長の長い第２の固有Ｘ線を吸収する第１光学系と、前記Ｘ線管からの多色Ｘ線のうち、少なくとも前記第２の固有Ｘ線を試料に照射する第２光学系と、を備えたＸ線分析装置。
【請求項２】 請求項１において、前記第１光学系は前記多色Ｘ線から前記第１の固有Ｘ線を分光する分光素子を有し、前記第２光学系は前記多色Ｘ線を全反射して集光する全反射コリメータを有するＸ線分析装置。
【請求項３】 請求項１において、前記第１光学系は前記多色Ｘ線から前記第１の固有Ｘ線を分光する第１分光素子を有し、前記第２光学系は前記多色Ｘ線から前記第２の固有Ｘ線を分光する第２分光素子を有するＸ線分析装置。
【請求項４】 請求項１，２もしくは３において、前記２つの光学系のうち、前記第１光学系のＸ線のみを通過させる制限部材を挿入・退避自在に設けたＸ線分析装置。
【請求項５】 請求項１において、前記Ｘ線管、第１光学系および第２光学系を有する照射装置と、前記第１の固有Ｘ線および／または第２の固有Ｘ線で励起された試料からの蛍光Ｘ線を検出する第１検出器と、試料で回折された回折Ｘ線を検出する第２検出器とを備え、前記試料をセットする試料位置を回転させない固定した状態で、前記照射装置と前記第２検出器とを、試料を中心に互いに対称に回転させる回転機構を設けたＸ線分析装置。
【請求項６】 Ｘ線管からのＸ線を試料に向って出射し、該試料からの蛍光Ｘ線に基づいて試料の元素分析を行う蛍光Ｘ線分析と、前記試料でブラッグ反射された回折Ｘ線に基づいて前記試料の構造分析を行うＸ線回折分析とを１台の装置で行うようにしたＸ線分析方法であって、前記Ｘ線管の管電圧を高く設定して、波長の短い第１の固有Ｘ線ならびに該第１の固有Ｘ線よりも波長の長い第２の固有Ｘ線ならびに連続Ｘ線を生成させると共に、前記第１の固有Ｘ線を分光して、前記第１の固有Ｘ線を試料に照射して分析を行い、一方、前記Ｘ線管の管電圧を低く設定して、前記第１の固有Ｘ線を生成させることなく、前記第２の固有Ｘ線を試料に照射して分析を行うようにしたＸ線分析方法。
【請求項７】 Ｘ線管からのＸ線を試料に向って出射し、該試料からの蛍光Ｘ線に基づいて試料の元素分析を行う蛍光Ｘ線分析と、前記試料でブラッグ反射された回折Ｘ線に基づいて前記試料の構造分析を行うＸ線回折分析とを１台の装置で行うようにしたＸ線分析方法であって、前記Ｘ線管から、波長の短い第１の固有Ｘ線ならびに該第１の固有Ｘ線よりも波長の長い第２の固有Ｘ線ならびに連続Ｘ線を出射させ、前記第１の固有Ｘ線を分光して、前記第１の固有Ｘ線を試料に照射して分析を行い、一方、前記第２の固有Ｘ線を分光して前記第２の固有Ｘ線を試料に照射して分析を行うようにしたＸ線分析方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ｘ線回折分析および蛍光Ｘ線分析の双方を１台の装置で可能としたＸ線分析装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】Ｘ線回折法では、試料でブラッグ反射された回折Ｘ線に基づいて試料の構造分析を行うことができ、たとえば、化合物の種類や構造を知ることができる。一方、蛍光Ｘ線分析では、一次Ｘ線を試料に向って出射し、該試料からの蛍光Ｘ線に基づいて試料を構成する組成の元素分析を行う。
【０００３】一般に、これらの２つの分析法は、別々の装置で行うが、特表平11-502025 号には、１台の装置で２つの分析を可能とする技術が開示されている。この従来例は、単一のＸ線管で２つの分析法を行えるようにして、高価なＸ線管の数を減らすことで、コストダウンを図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来技術では、軽元素の組成分析や格子面間の大きい物質の分析を十分に行うことができない。
【０００５】
【発明の概要】したがって、本発明の目的は、単一のＸ線管で軽元素から重元素までの蛍光Ｘ線分析を行い得ると共に、格子面間の小さい物質から大きい物質までのＸ線回折分析を行い得るＸ線分析装置および方法を提供することである。
【０００６】前記目的を達成するために、本発明装置は、Ｘ線回折分析および蛍光Ｘ線分析の双方を可能としたＸ線分析装置であって、多色Ｘ線を出射する単一のＸ線管と、前記Ｘ線管からの多色Ｘ線のうち波長の短い第１の固有Ｘ線を試料に照射すると共に、前記第１の固有Ｘ線よりも波長の長い第２の固有Ｘ線を吸収する第１光学系と、前記Ｘ線管からの多色Ｘ線のうち、少なくとも前記第２の固有Ｘ線を試料に照射する第２光学系とを備えている。
【０００７】
【発明の効果】本発明では、２つの光学系を設けて、波長（エネルギ）の異なる第１および第２の固有Ｘ線を選択的に試料に照射できるようにしたので、分析対象となる元素の種類や化合物の構造に応じて、前記第１または第２の固有Ｘ線を選択的に試料に照射することができるから、種々の試料の分析を行うことができる。
【０００８】また、試料位置を固定した状態で、Ｘ線管、第１光学系および第２光学系を含む照射装置と、回折Ｘ線を検出する第２検出器とを、試料に対して対称に回転させることにより、回転機構の構造が簡素になる。したがって、装置の小型・軽量化とコストダウンを図ることができる。その結果、安価な可搬型のＸ線分析装置を提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。本可搬型のＸ線分析装置は、図１の測定装置１と、図示しない計測制御器およびパソコン（演算装置）などを備えている。前記測定装置１は第１密閉ケース２１および第２密閉ケース２２を備えている。
【００１０】図１において、第１密閉ケース２１内には分光装置３、制限板４および第１Ｘ線検出器５を収容している。前記第１密閉ケース２１にはＸ線管１０が固定されており、このＸ線管１０は多色Ｘ線１１を出射する。前記多色Ｘ線１１には、波長の短い第１の固有Ｘ線（たとえばＰｄ−Ｋα線）と、この第１の固有Ｘ線よりも波長の長い第２の固有Ｘ線（たとえばＰｄ−Ｌα線）と、連続Ｘ線とが含まれている。図２に示すように、当該多色Ｘ線１１は試料２０の原子を励起して蛍光Ｘ線１２を発生させる。蛍光Ｘ線１２は第１Ｘ線検出器５に入射して検出され、パソコンにより周知の蛍光Ｘ線分析がなされる。
【００１１】図１の前記第２密閉ケース２２には、第２Ｘ線検出器７が固定されていると共に、一対のスリット２３，２４が形成されている。前記第１および第２密閉ケース２１，２２は、回転機構６により左右対称に回転される。すなわち、回転機構６は、試料２０をセットする試料位置２５を回転させない固定した状態で、第１および第２密閉ケース２１，２２を試料２０の面法線２６を中心に左右対称に回転させる。これにより、Ｘ線管１０から試料２０へのＸ線の入射角θと、試料２０から第２Ｘ線検出器７へ反射される回折Ｘ線の反射角θとが常に同じ値となる。なお、前記回転機構６は、前記第１または第２密閉ケース２１，２２の一方のみを選択的に回転させることもできるようになっている。
【００１２】図２に示すように、Ｘ線管１０は縦型（エンドウィンドウ型）で空冷式のＸ線管であり、フィラメント１３が接地電圧で、一方、ターゲット（たとえばパラジウムＰｄ）１４に正の電圧が印加されている。そのため、ターゲット１４に衝突した電子１５による散乱電子が発生しにくいので、窓材１６であるBe膜の熱による劣化が生じにくいから、窓材１６を７５μｍまで薄くすることができる。なお、Ｘ線管１０の管電圧は適宜の値に設定できるようになっている。
【００１３】前記分光装置３は、第１光学系３Ａと第２光学系３Ｂを構成する。第１光学系３Ａは分光素子３０，第１スリット３１および第２スリット３２を備え、第２光学系３Ｂは全反射コリメータ３３を備えてなる。
【００１４】前記分光素子３０は、その内周面で多色Ｘ線１１を分光する。すなわち、分光素子３０に所定の入射角で入射したＸ線１１のみをブラッグ反射して単色化された第１の固有Ｘ線１１１を試料２０に照射する。前記分光素子３０は、軸線３５に直交する断面が円環状で、かつ、軸線３５に沿って湾曲した内周面を持つ樽形に形成されており、軸線３５のまわりの全周、かつ、分光素子３０の略全長Ｌにわたる広い面積において、Ｘ線１１をブラッグ反射させることができる。なお、軸線３５に沿った曲線としては、円弧やログスパイラル曲線など（特開平６─８２４００号，同８２３９８号参照）種々の曲線を採用することができる。
【００１５】前記第１および第２スリット３１，３２は円環状で、前記分光素子３０と全反射コリメータ３３との間に一体に形成されている。前記第１スリット３１は分光素子３０の内周面に所定の入射角で入射する多色Ｘ線１１を通過させ、一方、前記第２スリット３２は分光素子３０の内周面において所定の反射角で反射された第１の固有Ｘ線１１１を通過させる。
【００１６】全反射コリメータ３３は、分光素子３０の内側に前記分光素子３０と略同軸上に配設され、内表面でＸ線を全反射して集光する。この全反射コリメータ３３は、細い円筒の内表面で形成するのが好ましいが、複数枚の平板を平行に配置したソーラスリットを採用してもよい。
【００１７】図１に示すように、前記Ｘ線管１０と分光装置３との間には、切換制限板４が設けてある。この切換制限板４は、図２〜図５に示すように切り替わる。すなわち、図２の第１回転位置においては、切換制限板４は多色Ｘ線１１の全てを分光装置３に向って通過させる。図３の第２回転位置においては、第１遮光部４１により全反射コリメータ３３へ向かう多色Ｘ線１１を遮光して、第１および第２スリット３１に入射する多色Ｘ線１１のみを通過させる。図４の第３回転位置においては、第２遮光部４２により第１スリット３１へ向かう多色Ｘ線１１を遮光して全反射コリメータ３３に入射する多色Ｘ線１１のみを通過させる。図５の第４回転位置においては、第３遮光部４３により、分光素子３０の円周方向の一部に向かう多色Ｘ線１１のみを通過させる。したがって、この場合第１固有Ｘ線１１１が入射角θ1 で試料２０に入射する。なお、制限板３４は、モータなどの駆動機で回転させるのが好ましい。また、制限板３４は、分光装置３から試料２０に向かうＸ線の出射を制限するものであってもよい。
【００１８】前記第１Ｘ線検出器５は、試料２０を励起して発生した蛍光Ｘ線１２を検出するためのもので、いわゆるシリコンドリフト型の検出器（NUCLEAR INSTRUMENTSand METHODS IN PHISICS RESEARCH A 377(1996) 346-351 参照）で、Ｉ層に円環状に多数のＰ層が埋設されており、その中央のアノードであるＮ層に出力用のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が埋設されている。なお、本Ｘ線検出器５の窓材には８μｍのBe膜を用いて、 F（フッ素）程度の軽元素分析を可能とした。一方、第２Ｘ線検出器７は、試料２０で回折された回折Ｘ線１７を検出するためのもので、たとえばシールド型の比例検出器を用いることができる。
【００１９】図１の第１および第２密閉ケース２１，２２は、耐圧性を有する密閉容器であり、たとえば内部のチャンバーを真空またはHe雰囲気に保持できるようになっている。
【００２０】本装置の用い方について説明する。まず、試料２０中の軽元素の蛍光Ｘ線分析を行う場合には、図２のように多色Ｘ線１１を遮光しない状態に設定すると共に、Ｘ線管１０の管電圧を２０kV以下に設定して、ターゲット１４からのエネルギの低い（波長の長い）Ｌ系列のＸ線（Ｐｄ−Ｌα）を励起源として用いる。この場合、分光素子３０で分光された第１の固有Ｘ線１１１と、全反射コリメータ３３を通過した多色Ｘ線１１２とが試料２０に入射し、試料２０からの蛍光Ｘ線１２を第１Ｘ線検出器５で検出する。この場合、エネルギの低いＬ線成分のみがＸ線管１０から放射され、連続Ｘ線が極めて低い（ノイズが少ない）Ｘ線源となる。このため、低エネルギ成分のＬ線のみで試料２０を励起するから、軽元素の分析が可能となる。
【００２１】一方、試料２０中の重元素の蛍光Ｘ線分析を行う場合には、図３の多色Ｘ線１１の経路に切換制限板４の第１遮光部４１を挿入すると共に、Ｘ線管１０の管電圧を５０kVに設定して、ターゲット１４からのエネルギの高いＫα（Ｐｄ−Ｋα）線を固有Ｘ線として用いる。この場合、全反射コリメータ３３へ向かう多色Ｘ線１１は、遮光部４１により制限（遮断）され、一方、分光素子３０で単色化された第１固有Ｘ線１１１は試料２０に入射し、試料２０からの蛍光Ｘ線１２を第１Ｘ線検出器５で検出する。このように、高いエネルギの単色光で試料２０を励起するから、重元素を精度良く分析することができる。
【００２２】つぎに、試料の構造をＸ線回折法により分析する場合について説明する。Ｘ線回折法により格子面間の大きい試料２０を分析する場合は、図４のＸ線管１０の管電圧を２０kV以下に設定する。この場合、多色Ｘ線１１には波長の短い第１の固有Ｘ線Ｐｄ−Ｋα線は含まれておらず、一方、波長の長い第２の固有Ｘ線Ｐｄ−Ｌα線が多く含まれている。一方、図４のように、切換制限板４の第２遮光部４２により分光素子３０へ向かう多色Ｘ線１１を遮断し、全反射コリメータ３３から多色Ｘ線１１２を試料２０に照射する。前記第２の固有Ｘ線１１２を試料に照射しながら、回転機構６により、Ｘ線管１０と第２Ｘ線検出器７とを面法線２６を中心に互いに対称に回転させて、第２Ｘ線検出器７に入射する回折Ｘ線１７の強度と、下記(1) 式（ブラッグの式）により、角度θから試料２０の構造を知ることができる。
２ｄsin θ＝ｎλ …(1)但し、ｄ：結晶の面間隔θ：入射角，回折角λ：Ｘ線の波長ｎ：反射の次数【００２３】ここで、格子面間隔ｄが大きい試料２０について、波長λの短い回折Ｘ線１７を検出すると、前記ブラッグの式から分かるように、角度θが小さくなる。この角度θが小さすぎると、反射の次数ｎに応じて表れる回折Ｘ線１７のピーク間が近接し、そのため、分散能が低下する。これに対し、本発明では、格子面間隔ｄが大きい試料２０については、波長λの長いＰｄ−Ｌα線を用いているので、角度θが適度な値となって分散能が向上する。したがって、面間隔の大きい試料２０についての分析の精度が向上する。
【００２４】一方、Ｘ線回折法により、格子面間隔の小さい試料２０を分析する場合には、図５のＸ線管１０の管電圧を５０kVに設定して、ターゲット１４からの波長の短いＰｄ−Ｋα線を第１の固有Ｘ線１１１として用いる。一方、第３遮光部４３を挿入することにより、第１固有Ｘ線１１１の入射角θ1 を設定すると、回折角θ1 が自動的に微調整されるようになっている。前記第１固有Ｘ線１１１を試料２０に照射しながら回転機構６により、Ｘ線管１０と第２Ｘ線検出器７とを面法線２６を中心に互いに対称に回転させて、第２Ｘ線検出器７に入射する回折Ｘ線１７の強度と前記ブラッグの式から試料２０の構造を知る。
【００２５】図６〜図９は第２実施形態を示す。本実施形態では、分光装置３が第１分光素子３０Ａと第２分光素子３０Ｂとを備えている。第１光学系３Ａは第１分光素子３０Ａ，第１スリット３１および第２スリット３２を備えてなる。一方、第２光学系３Ｂは第２分光素子３０Ｂ，第１スリット３１および第２スリット３２を備えてなる。
【００２６】前記第１分光素子３０Ａは、前記第１実施形態の分光素子３０と同様な構造であるが、分光素子３０を半円環状にしたものである。一方、第２分光素子３０Ｂは、軸線３５を含む面を中心に前記第１分光素子３０Ａと概ね面対称に構成されており、半円環状に形成されている。前記第１分光素子３０Ａは、たとえばＬｉＦの分光結晶からなり、２ｄ値が約4.0nm に設定されている。一方、第２分光素子３０Ｂは、たとえば人工多層膜格子からなり、２ｄ値が約3.0nm に設定されている。
【００２７】前記Ｘ線管１０と分光装置３との間には切換制限板４Ａが設けてある。この切換制限板４Ａは、図５〜図９に示すように切り替わる。すなわち、図６の第１回転位置においては、切換制限板４Ａは第４遮光部４４により第１分光素子３０Ａに入射する多色Ｘ線１１を遮光して第２分光素子３０Ｂに入射する多色Ｘ線１１のみを通過させる。図７の第２回転位置においては、第５遮光部４５により第２分光素子３０Ｂに入射する多色Ｘ線１１を遮光して、第１分光素子３０Ａに入射する多色Ｘ線１１のみを通過させる。図８の第３回転位置においては、第６遮光部４６により、第２分光素子３０Ｂの円周方向の一部に向かう多色Ｘ線１１のみを通過させる。図９の第４回転位置においては、第７遮光部４７により、第１分光素子３０Ａの円周方向の一部に向かう多色Ｘ線１１のみを通過させる。
【００２８】その他の構成は前記第１実施形態と同様であり、同一部分もしくは相当部分に同一符号を付して、その詳しい説明を省略する。
【００２９】つぎに、装置の用い方について説明する。本実施形態ではＸ線管１０の管電圧を５０kVの一定の高い値で用いる。軽元素についての蛍光Ｘ線分析を行う場合は、図６の多色Ｘ線１１の経路に切換制限板４の第４遮光部４４を挿入する。この場合、Ｐｄ−Ｌα線を含む多色Ｘ線１１は第２分光素子３０Ｂによって単色化され、該単色化されたＰｄ−Ｌα線（第２の固有Ｘ線）１１３が試料２０に入射する。
【００３０】重元素についての蛍光Ｘ線分析を行う場合は、図７の多色Ｘ線１１の経路に切換制限板４の第５遮光部４５を挿入する。この場合、Ｐｄ−Ｋα線を含む多色Ｘ線１１は第１分光素子３０Ａによって単色化され、該単色化されたＰｄ−Ｋα線（第１の固有Ｘ線）１１１が試料２０に入射する。
【００３１】Ｘ線回折法により格子面間の大きい試料２０を分析する場合は、図８のように、第６遮光部４６を挿入する。この場合、Ｐｄ−Ｌα線を含む多色Ｘ線１１は第２分光素子３０Ｂによって単色化されると共に、入射角がθに設定される。単色化されたＰｄ−Ｌα線１１３を照射しながら、回転機構６により角度θを変化させて、所定の分析を行う。
【００３２】一方、Ｘ線回折法により格子面間の大きい試料２０を分析する場合は、図９のように、第７遮光部４７を挿入する。この場合、Ｐｄ−Ｋα線を含む多色Ｘ線１１は第１分光素子３０Ａによって単色化されると共に、入射角θ2 を設定すると、回折角θ2 が自動的に微調整される。前記単色化されたＰｄ−Ｋα線１１１を照射しながら、回転機構６により角度θ2 を変化させて、所定の分析を行う。
【００３３】なお、Ｋα線およびＬα線を用いるターゲットとしては、前記Ｐｄの他に、Ｍｏ，Ｒｈ，Ａｇなどがある。また、ＰｔやＡｕなどの重元素をターゲットとして用いる場合は、Ｌα線およびＭα線をそれぞれ第１および第２固有Ｘ線として用いることができる。
【出願人】 【識別番号】３９９１１８４０５
【氏名又は名称】アワーズテック株式会社
【出願日】 平成１２年１月６日（２０００．１．６）
【代理人】 【識別番号】１００１０２０６０
【弁理士】
【氏名又は名称】山村 喜信
【公開番号】 特開２００１−１９４３２５（Ｐ２００１−１９４３２５Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−５７７９（Ｐ２０００−５７７９）